燒結(jié)自保溫磚(墻體)的意義和計算程序

秦 銳

(1.四川省建材工業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；2.四川省材科院檢驗檢測有限公司，四川 成都 610081)

1 背景和意義

我國已成為世界第三大能源生產(chǎn)國和第二大能源消費國，每年建成建筑總面積已超過所有發(fā)達國家的總和。建筑在生產(chǎn)和使用過程中要消耗能源總量的50%，其中建筑能耗約占全社會總能耗的24%，而該比例還僅僅是建造和使用過程中所消耗的能源比例，如果再加上建筑材料在生產(chǎn)過程中所消耗的能源，那么建筑能耗將占到全社會總能耗的47.24%，在社會總能耗中位居首位[1]。

根據(jù)建設(shè)部科技司的分析數(shù)據(jù)，到2020年底，我國新增的300億m2房屋面積中，城市將新增加130億m2房屋面積。假如這些新增加的建筑在現(xiàn)有狀況下做到節(jié)能50%，則每年這些建筑約可節(jié)約1.6億t標(biāo)煤。2005年，我國440億m2的現(xiàn)有建筑中，城市建筑面積約達138億m2，這些建筑的圍護結(jié)構(gòu)很大一部分存在保溫隔熱性較差、暖通空調(diào)系統(tǒng)效率低下等問題，節(jié)能的潛力相當(dāng)巨大。拿城市建筑面積達60%的建筑住宅為例，現(xiàn)有采暖區(qū)域的城鎮(zhèn)住宅面積約40億m2，在2000年時，我國供暖季的平均能耗約25 kg標(biāo)煤/m3，假如在現(xiàn)有狀況下做到節(jié)能50%，則每年約可節(jié)約0.5億t標(biāo)煤。其中空調(diào)設(shè)施是住宅能耗的重要部分，我國住宅的空調(diào)安裝增加率1 100萬臺/年，空調(diào)的電耗占建筑能耗的比重迅速上升。據(jù)此推測，近10年我國城鎮(zhèn)增加的建筑約8億m2/年，假如暖通空調(diào)設(shè)備全部安裝，則10年用電負(fù)荷的增加將超過1億kW，達到我國2000年發(fā)電能力的近1/3。而如果我國大多數(shù)新建建筑按節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建造并且對已有建筑實施節(jié)能改造，則可使空調(diào)負(fù)荷下降40%～70%，一些地區(qū)甚至不用空調(diào)也可基本保證處于舒適狀態(tài)。

墻體是外圍護結(jié)構(gòu)的主體，墻體材料的好壞對建筑能耗有著重要的影響。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對建筑全壽命周期能耗評價的研究結(jié)果可以看出，對于節(jié)能建筑，建筑材料的能耗占建筑全壽命周期能耗的比例40%以上，因此，推廣新型節(jié)能墻體材料和可再生墻體材料對建筑節(jié)能有著重要的意義[2]。

2 程序設(shè)計

目前常用的節(jié)能保溫磚設(shè)計軟件有Matlab或Ansys軟件，但使用這些軟件需要進行多學(xué)科長時間的培訓(xùn)，又需要花費大量的人力、物力和時間成本，需要設(shè)計一個簡單易行的程序，在設(shè)計磚型的基礎(chǔ)上，提供一個理論計算值，最主要的是使用方便，簡單易懂。該程序要實現(xiàn)以下目標(biāo)：①不同孔型的燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)計算；②不同孔型燒結(jié)磚砌筑墻體的傳熱系數(shù)的計算；③不含抹灰層砌體熱工性能：當(dāng)量熱阻、當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、熱惰性指標(biāo)的計算。

程序采用Homayr公式，使用前端開發(fā)技術(shù)，用表格輸入框的形式，直接在網(wǎng)頁上打開進行操作計算，并且支持移動設(shè)備操作，界面簡潔明了，操作簡單，只用輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，程序會自動計算出空心磚導(dǎo)熱系數(shù)，墻體傳熱系數(shù)等相關(guān)熱工指標(biāo)。用戶可以方便地測量出數(shù)據(jù)，如磚的規(guī)格尺寸、肋的厚度，空心層的厚度，而不用管復(fù)雜繁瑣的計算公式與計算過程，程序優(yōu)點如下。

1)易用性：使用angularJS開發(fā)前端動態(tài)內(nèi)容，提供很好的交互性，計算結(jié)果即是體現(xiàn)內(nèi)置墻體熱工性能計算算法。

2)互聯(lián)性：接入互聯(lián)網(wǎng)，使用HTML5Boilerplate提供很好的客戶端兼容性，支持手機、PC、平板，方便更新，統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)。

3)穩(wěn)定性：利用coding.netPages服務(wù)。CodingPages是一個免費的靜態(tài)網(wǎng)頁托管和演示服務(wù)，可以使用CodingPages托管博客、項目官網(wǎng)等靜態(tài)網(wǎng)頁。

4)擴展性：易于添加新的算法和標(biāo)準(zhǔn)，程序員可以方便的更新和升級程序的算法和標(biāo)準(zhǔn)。

3 程序主界面設(shè)計

程序的計算是從順向?qū)嵯禂?shù)、頂向?qū)嵯禂?shù)、墻體傳熱系數(shù)、不含抹灰層砌體的熱工性能依次進行，主界面見圖1。界面分為4個計算步驟，分別是順向?qū)嵯禂?shù)、頂向?qū)嵯禂?shù)、墻體導(dǎo)熱系數(shù)和不含抹灰層砌體的熱工性能，從左到右依次計算。

圖1 程序主界面

3.1 順向?qū)嵯禂?shù)和頂向?qū)嵯禂?shù)界面設(shè)計

順向?qū)嵯禂?shù)和頂向?qū)嵯禂?shù)的計算方法是一樣的，所以本文以順向?qū)嵯禂?shù)為例。圖2所示頁面中,白色的輸入框如空心磚截面總面積F、順著熱流方向兩側(cè)邊壁面積F2等，需要測量磚的相關(guān)尺寸后手動輸入數(shù)據(jù)，灰色的方框(加*)設(shè)置成不能輸入任何字符。在白色輸入框中輸入數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會自動計算的相關(guān)參數(shù)并顯示在灰色框里。其中“空心磚各類孔型空氣層的厚度”，因為目前四川省內(nèi)燒結(jié)自保溫磚的孔型絕大部分都是2～3種，所以程序設(shè)計了4個孔型的輸入框，就目前來說是足夠了，若今后有超過4個孔型的保溫磚，可以很方便地在程序中擴展。“決定于孔洞布置方式的系數(shù)f”，通過下拉菜單選擇“錯列孔”、“齊排孔”和“菱形磚”，分別對應(yīng)不同的系數(shù)值。“磚質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)λs”的值相關(guān)資料中取固定值0.68，程序直接顯示。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)計算界面

3.2 墻體傳熱系數(shù)程序的頁面設(shè)計

圖3所示頁面中，測出墻體的面積，墻體使用磚的面積，磚墻的厚度等數(shù)據(jù)并輸入程序，抹灰砂漿的導(dǎo)熱系統(tǒng)通過查詢資料取值0.8，順向?qū)嵯禂?shù)和頂向?qū)嵯禂?shù)在前面的步驟中已經(jīng)求出，直接錄入結(jié)果即可，程序會自動計算出墻體的傳熱系數(shù)。

圖3 墻體傳熱系數(shù)計算界面

3.3 熱工性能程序頁面設(shè)計

圖4所示頁面中，測出單元產(chǎn)品的尺寸、體積密度、墻體砌筑的灰縫厚度、兩側(cè)抹灰的厚度，再輸入前面計算得到的墻體傳熱系數(shù)值，程序就會自動計算出不含抹灰層砌體相關(guān)的熱工性能指標(biāo)，如當(dāng)量熱阻、蓄勢系數(shù)等。

圖4 熱工性能計算界面

通過筆者對10組不同尺寸和孔型結(jié)構(gòu)的空心磚計算值與實測值的比較，程序計算的理論值與實測值的誤差值在4%～10%，說明通過程序計算得出的理論值具有一定的參考意義。

4 結(jié) 語

目前建筑節(jié)能已經(jīng)成為世界建筑行業(yè)的主題之一，與其他墻體保溫體系相比，墻體圍護結(jié)構(gòu)自保溫在耐久性、抗震性和安全性等方面具有很大的優(yōu)勢，自保溫磚和自保溫砌塊是目前墻體圍護結(jié)構(gòu)自保溫體系中典型的材料，與建筑主體結(jié)構(gòu)壽命、防火性能好、施工方便、綜合成本低，比外墻外保溫系統(tǒng)更耐久，維護成本更低，節(jié)能效果也更好。設(shè)計出合理孔型的自保溫磚和自保溫砌塊對每個磚廠來說，不僅可以節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，而且可以產(chǎn)生更好的效益，贏得市場。

墻體熱工性能涉及的方面很多，許多材料和系統(tǒng)的傳熱都是傳導(dǎo)、對流和輻射的復(fù)雜組合，傳熱性質(zhì)經(jīng)常與試件自身及邊界條件，試件的尺寸、傳熱方向、溫度、溫差、氣流速度以及相對濕度有關(guān)。絕熱材料本身又有許多種，還有復(fù)合保溫材料，計算方法也有多種，Homayr公式、K·ΦΦοκин公式以及我國《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50176—2016)中的相關(guān)公式，所以相關(guān)的計算都比較復(fù)雜。

在實驗室里通過防護熱箱法來測試墻體的傳熱系數(shù)，把保溫節(jié)能磚砌成墻體試件，將墻體試件放置在已知環(huán)境溫度的熱室和冷室之間，在穩(wěn)定的狀態(tài)下測量空氣溫度和表面溫度以及輸入熱室功率。由這些測量數(shù)值計算出墻體試件的傳熱性質(zhì)。一般小磚廠企業(yè)規(guī)模較小，人員文化水平普遍較低，自身沒有能力設(shè)計孔型和計算相關(guān)指標(biāo)，也不愿意花錢請專家根據(jù)企業(yè)實際情況來設(shè)計，沒有條件更沒有必要購買檢測設(shè)備，往往就看市場哪種磚好銷售，就跟風(fēng)去做，但是由于自身生產(chǎn)工藝的落后，生產(chǎn)出來的成品又達不到標(biāo)準(zhǔn)要求，通不過檢測就進入不了市場，造成資源和資金的浪費。如果在生產(chǎn)一種磚型之前，能通過公式計算出這種磚的導(dǎo)熱系數(shù)、墻體的傳熱系數(shù)以及相關(guān)熱工指標(biāo)，可以作為參考數(shù)據(jù)來改進優(yōu)化磚型和孔型，指導(dǎo)生產(chǎn)，則可以節(jié)省大量的人力物力，提高生產(chǎn)效率。

本文所述程序把復(fù)雜的公式圖形化、簡單化，不需要人員有多高的學(xué)歷和電腦知識，并可以在手機、平板等移動端上操作，通過表格化的界面，只需要把實際測量得到的數(shù)據(jù)輸入相應(yīng)的輸入框中，就能得到傳熱系數(shù)和相關(guān)熱工性能計算值的結(jié)果。可以節(jié)省大量的時間和精力，還可以與后期檢測出來的實測數(shù)據(jù)對比，并不斷擴充對比數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)對比總結(jié)規(guī)律，通過大數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出在保溫性、經(jīng)濟性、實用性、耐久性等各方面都比較好的磚型，也可以對企業(yè)提供指導(dǎo)性意見和服務(wù)，一舉多得。

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